(57)【要約】【課題】接点間を開成する際におけるアークの発生を防ぐことのできる液体金属リレーを提供する。【解決手段】液体金属から成る固定接点２と、固定接点２に接離する固体金属から成る可動接点１と、可動接点１を固定接点２に対して接離自在に移動させるアクチュエータ３とを備え、可動接点１は、固定接点２から離れた側に設けられて接点間の閉成時に固定接点２と接触導通する低抵抗部１０と、低抵抗部１０よりも固定接点２に近い側に設けられて低抵抗部１０よりも高い抵抗値を有する高抵抗部１１とから成る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体金属から成る固定接点と、固定接点に接離する固体金属から成る可動接点と、可動接点を固定接点に対して接離自在に移動させる駆動手段とを備え、可動接点は、固定接点から離れた側に設けられて接点間の閉成時に固定接点と接触導通する低抵抗部と、低抵抗部よりも固定接点に近い側に設けられて低抵抗部よりも高い抵抗値を有する高抵抗部とから成ることを特徴とする液体金属リレー。
【請求項２】
前記低抵抗部と高抵抗部とは、各々互いに異なる抵抗率を有する材料から成り、高抵抗部は、各々互いに異なる抵抗率を有する材料から形成された複数の層を積層して成り、低抵抗部側から固定接点側に向かうにつれて抵抗値が高くなるように積層されたことを特徴とする請求項１記載の液体金属リレー。
【請求項３】
前記高抵抗部は、低抵抗部と同一の材料から成る部位の表面を粗面に形成してなることを特徴とする請求項１記載の液体金属リレー。
【請求項４】
前記高抵抗部は、低抵抗部と同一の材料から成る部位の表面に前記材料よりも抵抗率の大きい材料から成る皮膜を設けてなることを特徴とする請求項１記載の液体金属リレー。
【請求項５】
前記皮膜は、その厚みが低抵抗部側から固定接点側に向かうにつれて厚くなるように設けられたことを特徴とする請求項４記載の液体金属リレー。
【請求項６】
前記低抵抗部と高抵抗部とは、各々互いに異なる抵抗率を有する材料から成り、高抵抗部は、その固定接点側の部位の断面積が他の部位の断面積よりも小さくなるように形成されたことを特徴とする請求項１記載の液体金属リレー。
【請求項７】
前記低抵抗部と高抵抗部とは、何れも同一の材料から成り、高抵抗部は、その固定接点側の部位の断面積が他の部位の断面積よりも小さくなるように形成されたことを特徴とする請求項１記載の液体金属リレー。
【請求項８】
前記高抵抗部の固定接点側の部位は、低抵抗部側から固定接点側に向かうにつれて徐々に断面積が小さくなるように形成されたことを特徴とする請求項６又は７記載の液体金属リレー。
【請求項９】
前記高抵抗部の表面には、撥水処理が施されたことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の液体金属リレー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体金属から成る接点と液体金属から成る接点とを開閉する液体金属リレーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、各々銀等の固体金属から成る固定接点及び可動接点間を開閉するリレーが知られている。この種のリレーでは、接点間を閉成する場合、及び接点間を開成する場合の何れにおいても接点間にアークが発生する虞がある。例えば、接点間を閉成する場合には、図７（ａ）に示すように、先行アーク（同図ア参照）や、接点バウンスが生じることによるバウンスアーク（同図イ参照）が発生する。また、接点間を開成する場合には、図７（ｂ）に示すように、遮断アーク（同図ウ参照）が発生する。これらアークが原因で接点材料が溶融し、接点間が開成している状態で接点同士が溶着して、接点間を開成することができず遮断不能となる虞がある。また、これらアークが原因で接点材料が溶融又は軟化することで、接点材料の転移や変形が生じる場合がある。この場合、接点間のオーバートラベル量が変化することで接触抵抗が増大し、導通不良や動作不良をきたす虞がある。
【０００３】
上記問題を解決するものとして、１対の固体金属から成る接点間を水銀等から成る液体金属を介して開閉するリレーが開示されている（例えば、特許文献１参照）。この種のリレーの一例を以下説明する。
【０００４】
このリレーは、図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、略矩形状の基板１０１及び絶縁性基板１０２から成る本体部１００と、本体部１００内に設けられて導電性流体Ｌが収納される収納室１００ａと、収納室１００ａと連通して導電性流体Ｌの流路となるチャンネル１００ｂと、チャンネル１００ｂ内において露設される１対の接点１０３と、収納室１００ａ内に収納された導電性流体Ｌを移動させて接点との導通状態を切り換える圧電素子から成るアクチュエータ１０４とから構成される。ここで、導電性流体Ｌは、常温常圧（２５℃、１気圧）で液体の金属（例えば、水銀）から成る。また、接点１０３は、導電性金属材料（例えば、半田）を用いためっき層から成る。収納部１００ａの図８（ｂ）における上側の部位は、薄膜状のダイアフラム部となっており、アクチュエータ１０４が駆動した際にアクチュエータ１０４によって押圧されて前記下側に撓むようになっている。
【０００５】
以下、この従来例の動作について説明する。先ず、電圧が印加されていない状態では、アクチュエータ１０４が動作しないためにダイアフラム部が変形しない。この状態では、収納室１００ａに収納されている導電性流体Ｌは一方の接点１０３としか接触しておらず、接点間は開成されている。電圧を印加してアクチュエータ１０４を駆動すると、アクチュエータ１０４によってダイアフラム部が前記下側に撓み、収納室１００ａに収納されている導電性流体Ｌが押し出されてチャンネル１００ｂ内を移動し、導電性流体Ｌと他方の接点１０３とが接触する。すると、両接点１０３間が導電性流体Ｌを介して導通するため、接点間が閉成する。そして、電圧の印加を停止すれば、アクチュエータ１０４によって変形させられていたダイアフラム部が元の状態に復帰するため、導電性流体Ｌも収納室１００ａに戻り、接点間が開成される。
【０００６】
上述のように、１対の接点間を液体金属を介して開閉しているので、液体金属と接点との間でアークが発生した場合でも接点が溶着することがない。また、仮にアークによって液体金属が蒸発したとしても、再び液体に復帰するために液体金属が消耗することもない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１５９３２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来例では、依然として接点と液体金属との間でアークが発生する、特に接点間を開成する際にアークが発生する虞がある。このため、アークにより固体金属から成る接点が溶融及び軟化することで、接点材料の変形や消耗が生じるという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記の点に鑑みて為されたもので、接点間を開成する際におけるアークの発生を防ぐことのできる液体金属リレーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、液体金属から成る固定接点と、固定接点に接離する固体金属から成る可動接点と、可動接点を固定接点に対して接離自在に移動させる駆動手段とを備え、可動接点は、固定接点から離れた側に設けられて接点間の閉成時に固定接点と接触導通する低抵抗部と、低抵抗部よりも固定接点に近い側に設けられて低抵抗部よりも高い抵抗値を有する高抵抗部とから成ることを特徴とする。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、低抵抗部と高抵抗部とは、各々互いに異なる抵抗率を有する材料から成り、高抵抗部は、各々互いに異なる抵抗率を有する材料から形成された複数の層を積層して成り、低抵抗部側から固定接点側に向かうにつれて抵抗値が高くなるように積層されたことを特徴とする。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、高抵抗部は、低抵抗部と同一の材料から成る部位の表面を粗面に形成してなることを特徴とする。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、高抵抗部は、低抵抗部と同一の材料から成る部位の表面に前記材料よりも抵抗率の大きい材料から成る皮膜を設けてなることを特徴とする。
【００１４】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、皮膜は、その厚みが低抵抗部側から固定接点側に向かうにつれて厚くなるように設けられたことを特徴とする。
【００１５】
請求項６の発明は、請求項１の発明において、低抵抗部と高抵抗部とは、各々互いに異なる抵抗率を有する材料から成り、高抵抗部は、その固定接点側の部位の断面積が他の部位の断面積よりも小さくなるように形成されたことを特徴とする。
【００１６】
請求項７の発明は、請求項１の発明において、低抵抗部と高抵抗部とは、何れも同一の材料から成り、高抵抗部は、その固定接点側の部位の断面積が他の部位の断面積よりも小さくなるように形成されたことを特徴とする。
【００１７】
請求項８の発明は、請求項６又は７の発明において、高抵抗部の固定接点側の部位は、低抵抗部側から固定接点側に向かうにつれて徐々に断面積が小さくなるように形成されたことを特徴とする。
【００１８】
請求項９の発明は、請求項１乃至８の何れか１項の発明において、高抵抗部の表面には、撥水処理が施されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１の発明によれば、接点間を開成する際に、先ず低抵抗部が固定接点を成す液体金属から離れ、次に高抵抗部が徐々に液体金属から露出するので、抵抗値が徐々に増大して接点間を流れる電流を徐々に限流することができる。このため、可動接点が固定接点から完全に離れる前において流れる電流をアークが発生しない程度の電流値まで限流することができ、したがって接点間を開成する際におけるアークの発生を防ぐことができる。
【００２０】
請求項２の発明によれば、低抵抗部が固定接点を成す液体金属から離れる際にアークが発生することなく高抵抗部の抵抗値を高くすることができるので、単一材料で高抵抗部を構成する場合と比較して、接点間を流れる電流をアークが発生しない程度の電流値まで限流するために必要な高抵抗部の寸法を小さくすることができる。
【００２１】
請求項３の発明によれば、高抵抗部を低抵抗部と異なる材料で構成する場合と比較して、可動接点を製造する際に必要なコストを低減することができる。
【００２２】
請求項４の発明によれば、高抵抗部を低抵抗部と異なる材料で構成する場合と比較して、可動接点を製造する際に必要なコストを低減することができる。
【００２３】
請求項５の発明によれば、低抵抗部が固定接点を成す液体金属から離れる際にアークが発生することなく高抵抗部の抵抗値を高くすることができるので、単一材料で高抵抗部を構成する場合と比較して、接点間を流れる電流をアークが発生しない程度の電流値まで限流するために必要な高抵抗部の寸法を小さくすることができる。
【００２４】
請求項６の発明によれば、高抵抗部を低抵抗部と異なる材料で構成する場合と比較して、可動接点を製造する際に必要なコストを低減することができる。
【００２５】
請求項７の発明によれば、高抵抗部を低抵抗部と異なる材料で構成する場合と比較して、可動接点を製造する際に必要なコストを低減することができる。
【００２６】
請求項８の発明によれば、低抵抗部が固定接点を成す液体金属から離れる際にアークが発生することなく高抵抗部の抵抗値を高くすることができるので、単一材料で高抵抗部を構成する場合と比較して、接点間を流れる電流をアークが発生しない程度の電流値まで限流するために必要な高抵抗部の寸法を小さくすることができる。
【００２７】
請求項９の発明によれば、接点間を開成する際に高抵抗部に液体金属が濡れ残るのを防ぐことができるので、接点間の遮断性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る液体金属リレーの実施形態１を示す図で、（ａ）は接点間が開成している状態を示す図で、（ｂ）は接点間が閉成している状態を示す図である。
【図２】同上の高抵抗部の他の構成を示す図で、（ａ）は高抵抗部の表面にコーティングを設けた場合を示す図で、（ｂ）は高抵抗部の表面を粗面化した場合を示す図である。
【図３】同上の高抵抗部の更に他の構成を示す図で、（ａ）は高抵抗部の下端部を他の部位よりも細くした場合を示す図で、（ｂ）は高抵抗部の下端部を略角錘状にした場合を示す図である。
【図４】本発明に係る液体金属リレーの実施形態２を示す図である。
【図５】同上の高抵抗部の他の構成を示す図である。
【図６】同上の高抵抗部の更に他の構成を示す図で、（ａ）は高抵抗部の下端部を他の部位よりも細くした場合を示す図で、（ｂ）は高抵抗部の下端部を略角錘状にした場合を示す図である。
【図７】従来の何れも固体金属から成る接点間を開閉する際のアークの発生を示す図で、（ａ）は接点間を閉成する場合を示す図で、（ｂ）は接点間を開成する場合を示す図である。
【図８】従来の液体金属リレーを示す図で、（ａ）は概略後面図で、（ｂ）はＡ−Ａ’線断面矢視図で、（ｃ）はＢ−Ｂ’線断面矢視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
（実施形態１）
以下、本発明に係る液体金属リレーの実施形態１について図面を用いて説明する。尚、以下の説明では、図１（ａ）における上下を上下方向と定めるものとする。本実施形態は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、液体金属から成る固定接点２と、固定接点２に接離する固体金属から成る可動接点１と、可動接点１を固定接点２に対して接離自在に移動させるアクチュエータ３とを備える。尚、本実施形態及び後述の実施形態２では、本発明の要旨となる接点構造についてのみ詳述し、液体金属リレーの他の構成については図示及び説明を省略する。
【００３０】
可動接点１は、固定接点２から離れた側（上側）に設けられて接点間の閉成時に固定接点２と接触導通する低抵抗部１０と、低抵抗部１０よりも固定接点２に近い側（下側）に設けられて低抵抗部１０よりも高い抵抗値を有する高抵抗部１１とから成る。ここで、低抵抗部１０と高抵抗部１１とは、各々互いに異なる抵抗率を有する材料から成り、高抵抗部１１は、低抵抗部１０を成す材料よりも抵抗率の大きい材料から成る。
【００３１】
固定接点２は、例えば水銀や、ガリウム（Ｇａ），インジウム（Ｉｎ），スズ（Ｓｎ）から成る共融合金等の液体金属から成り、接点間が開成している状態において可動接点１と所定の間隔を空けるように固定電極部２０上に配設されている。固定電極部２０は、例えば半田等の固体金属から成り、固定接点２を支持するとともに固定接点２と導通している。
【００３２】
アクチュエータ３は、例えば圧電素子から成り、電圧が印加されると下方向に駆動して可動接点１を固定接点２と接触させるように下方向に移動させる。また、電圧が印加された状態で電圧の印加を停止すると、上方向に駆動して可動接点１を固定接点２から離れるように上方向に移動させる。尚、アクチュエータ３は圧電素子に限定されるものではなく、可動接点１を固定接点２に対して接離自在に移動させるものであれば他の構成であっても構わない。
【００３３】
以下、本実施形態の動作を説明する。先ず、接点間を閉成する場合について説明する。アクチュエータ３に電圧を印加することで下方向に駆動させると、可動接点１が下方向に移動して固定接点２と接触する。ここで、可動接点１は最初に高抵抗部１１が固定接点２に接触するが、この時点では接点間は閉成されない。そして、可動接点１の下方向への移動に伴って高抵抗部１１が固定接点２内に入り込み、低抵抗部１０が固定接点２と接触すると、低抵抗部１０を介して可動接点１と固定接点２とが導通し、接点間が閉成される。
【００３４】
次に、接点間を開成する場合について説明する。アクチュエータ３への電圧の印加を停止すると、アクチュエータ３が上方向に駆動して可動接点１が上方向に移動する。ここで、可動接点１においては最初に低抵抗部１０が固定接点２から離れる。そして、低抵抗部１０が固定接点２から離れると、次に高抵抗部１１が上端部から徐々に固定接点２の外部に露出し始める。すると、抵抗値の低い低抵抗部１０を介して固定接点２を流れていた電流が、抵抗値の高い高抵抗部１１を介して固定接点２に流れるので、接点間を流れる電流が限流される。更に、可動接点２の上方向への移動に伴って高抵抗部１１が固定接点２から徐々に露出するため、高抵抗部１１において電流の流れる部位が長くなり、抵抗値が高くなることで接点間を流れる電流が徐々に限流される。そして、高抵抗部１１が固定接点２から離れる時点に達すると、接点間を流れる電流はアークが発生しない程度の電流値まで十分に限流されるので、接点間を開成する際にアークが発生しない。
【００３５】
上述のように、接点間を開成する際に、先ず低抵抗部１０が固定接点２を成す液体金属から離れ、次に高抵抗部１１が徐々に液体金属から露出するので、抵抗値が徐々に増大して可動接点１を流れる電流を徐々に限流することができる。このため、可動接点１が固定接点２から完全に離れる前において流れる電流をアークが発生しない程度の電流値まで限流することができ、したがって接点間を開成する際におけるアークの発生を防ぐことができる。而して、アークにより固体金属から成る固定接点２が溶融及び軟化することが無いので、接点材料の変形や消耗が生じるのを防ぐことができる。
【００３６】
尚、上記実施形態では低抵抗部１０と高抵抗部１１とを各々互いに異なる抵抗率を有する材料から形成しているが、可動接点１を同一の材料で形成するとともに、可動接点１の下端部に低抵抗部１０と異なる抵抗値となるように処理を施すことで高抵抗部１１を構成するようにしてもよい。例えば、図２（ａ）に示すように、可動接点１の下端部の表面に、可動接点１を構成する材料よりも抵抗率の大きい材料から成る皮膜４を設けることで高抵抗部１１を構成してもよい。また、図２（ｂ）に示すように、可動接点１の下端部の表面に微細な凹凸を設けて粗面化することで、粗面化した部位の抵抗値を低抵抗部１０の抵抗値よりも高くして高抵抗部１１を構成してもよい。即ち、可動接点１の表面を粗面化することで、固定接点２を成す液体金属の可動接点１を成す固体金属に対する濡れ性を小さくし、各凹部において液体金属と固体金属との間に空気を介在させることで液体金属と固体金属との接触面積を小さくし、結果として低抵抗部１０よりも高抵抗部１１の抵抗値を高くすることができる。
【００３７】
更に、図３（ａ）に示すように、可動接点１の下端部の断面積を低抵抗部１０の断面積よりも小さくすることで、断面積を小さくした部位の抵抗値を低抵抗部１０の抵抗値よりも高くして高抵抗部１１を構成してもよい。また、図３（ｂ）に示すように、可動接点１の下端部を例えば略角錐状のように鋭利な形状に形成する、即ち、低抵抗部１０側から固定接点２側に向かうにつれて断面積が徐々に小さくなるように形成することで高抵抗部１１を構成してもよい。上記の何れの場合においても、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。また、高抵抗部１１を低抵抗部１０と異なる材料で構成する場合と比較して、可動接点１を製造する際に必要なコストを低減することができる。
【００３８】
（実施形態２）
以下、本発明に係る液体金属リレーの実施形態２について図面を用いて説明する。尚、本実施形態の基本的な構成は実施形態１と共通であるので、共通する部位には同一の番号を付して説明を省略する。本実施形態は、図４に示すように、高抵抗部１１が、各々互いに異なる抵抗率を有する材料から形成された複数の層を積層して成り、低抵抗部１０側から固定接点２側に向かうにつれて抵抗値が高くなるように積層されている。
【００３９】
ここで、実施形態１では、高抵抗部１１を設けることで接点間を流れる電流を徐々に限流しているが、アークが発生しない程度の電流値まで限流するためには、高抵抗部１１の上下方向の長さ寸法を大きくしなければならない。このため、高抵抗部１１をより抵抗率の大きい材料で形成することが考えられる。しかしながら、高抵抗部１１の抵抗値を低抵抗部１０の抵抗値よりも高くし過ぎると、接点間を開成する際に、低抵抗部１０が固定接点２から離れる時点でアークが発生する虞がある。即ち、アークが発生しないように接点間を開成するには、低抵抗部１０が固定接点２から離れる時点で接点間を流れる電流が急激に限流されないようにする必要がある。
【００４０】
そこで、本実施形態では、高抵抗部１１を低抵抗部１０側から固定接点２側に向かうにつれて抵抗値が高くなるように形成しているので、接点間を開成する際に、低抵抗部１０が固定接点２から離れる時点でアークが発生することがなく、接点間を流れる電流を効率良く制限することができる。例えば、高抵抗部１１の低抵抗部１０と接する層を実施形態１の高抵抗部１１と同じ材料から形成すれば、高抵抗部１１を単一の材料で構成する場合と比較して抵抗値を高くすることができるので、アークが発生しない程度の電流値まで限流するのに必要な高抵抗部１１の上下方向の長さ寸法を小さくすることができる。
【００４１】
尚、図５に示すように、可動接点１を同一の材料で形成するとともに、可動接点１の下端部の表面に、可動接点１を構成する材料よりも抵抗率の大きい材料から成る皮膜４を設けて高抵抗部１１とし、且つ皮膜４の厚みが低抵抗部１０側から固定接点２側に向かうにつれて厚くなるように構成してもよい。この場合、皮膜４が厚くなるにつれて高抵抗部１１の抵抗値が増大するため、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００４２】
また、図６（ａ）に示すように、高抵抗部１１において低抵抗部１０側の一端を低抵抗部１０と同じ断面積で形成するとともに、固定接点２側の他端を低抵抗部１０の断面積よりも小さい断面積で形成してもよい。この場合、断面積の大きい部分と断面積の小さい部分とで抵抗値が異なるので、高抵抗部１１の抵抗値が順に高くなり、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。また、図６（ｂ）に示すように、高抵抗部１１を例えば略角錐状のように鋭利な形状に形成する、即ち、低抵抗部１０側から固定接点２側に向かうにつれて断面積が徐々に小さくなるように形成してもよい。この場合、断面積が小さくなるにつれて抵抗値が高くなるので、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００４３】
尚、図６（ａ），（ｂ）の構成では、低抵抗部１０と高抵抗部１１とが各々互いに異なる抵抗率を有する材料から成るが、同一材料であっても構わない。この場合、高抵抗部１１を低抵抗部１０と異なる材料で構成する場合と比較して、可動接点１を製造する際に必要なコストを低減することができる。
【００４４】
ところで、接点間を開成する場合、高抵抗部１１が固定接点２から徐々に露出する際に、高抵抗部１１の表面に固定接点２を成す液体金属が濡れ残る虞がある。この場合、濡れ残った液体金属を介して低抵抗部１０及び固定接点２間が導通し、接点間を流れる電流を限流することができずに遮断性能が低下する。
【００４５】
そこで、実施形態１及び実施形態２の何れにおいても、高抵抗部１１に撥水処理を施すことが望ましい。撥水処理としては、例えば実施形態１で既に述べたように、高抵抗部１１の表面を粗面化して液体金属の固体金属に対する濡れ性を小さくする方法や、高抵抗部１１の表面にフッ素系、若しくはシリコン系の皮膜４を設けて液体金属と皮膜４との濡れ性を小さくする方法がある。このように撥水処理を施すことで、接点間を開成する際に高抵抗部１１に液体金属が濡れ残るのを防ぐことができるので、接点間の遮断性能を向上させることができる。
【符号の説明】
【００４６】
１  可動接点
１０  低抵抗部
１１  高抵抗部
２  固定接点
３  アクチュエータ（駆動手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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